串聯(lián)電池的主動(dòng)平衡解決方案

大型高壓可充電電池系統(tǒng)現(xiàn)在是電動(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)負(fù)載均衡系統(tǒng)等各種應(yīng)用中的常見(jiàn)電源。這些大型電池組由單個(gè)電池單元的串聯(lián)/并聯(lián)陣列組成，能夠存儲(chǔ)大量能量(數(shù)十千瓦時(shí))。鋰聚合物或 LiFePO4 電池因其高能量密度和高峰值功率能力而成為常見(jiàn)的技術(shù)選擇。

與單電池應(yīng)用一樣，對(duì)電池充電和監(jiān)控的嚴(yán)格控制對(duì)于確保安全運(yùn)行和防止電池過(guò)早老化或損壞至關(guān)重要。然而，與單電池系統(tǒng)不同，串聯(lián)電池組還有一項(xiàng)額外要求：電池平衡。

所有串聯(lián)電池都需要平衡

當(dāng)電池組中的每個(gè)電池都具有相同的充電狀態(tài) (SoC) 時(shí)，電池組中的電池即為“平衡”。SoC 是指單個(gè)電池在充電和放電過(guò)程中的當(dāng)前剩余容量相對(duì)于其最大容量的比例。例如，一個(gè)剩余容量為 5A-hrs 的 10A-hr 電池的充電狀態(tài) (SoC) 為 50%。

所有電池單元必須保持在 SoC 范圍內(nèi)，以避免損壞或使用壽命縮短。允許的 SoC 最小值和最大值因應(yīng)用而異。在電池運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要的應(yīng)用中，所有電池單元的 SoC 最小值和最大值可能在 20% 和 100%(或完全充電狀態(tài))之間運(yùn)行。

要求電池壽命最長(zhǎng)的應(yīng)用可能會(huì)將 SoC 范圍限制在 30%(最小值)至 70%(最大值)之間。這些是電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)存儲(chǔ)系統(tǒng)中常見(jiàn)的 SoC 限制，這些系統(tǒng)使用非常大且昂貴的電池，更換成本極高。電池管理系統(tǒng) (BMS) 的主要作用是仔細(xì)監(jiān)控電池組中的所有電池，并確保任何電池的充電或放電均不超過(guò)應(yīng)用的最小和最大 SoC 限制。

對(duì)于串聯(lián)/并聯(lián)電池陣列，通?？梢园踩丶僭O(shè)并聯(lián)的電池會(huì)相互自動(dòng)平衡。也就是說(shuō)，只要電池端子之間存在導(dǎo)電路徑，隨著時(shí)間的推移，并聯(lián)電池之間的充電狀態(tài)就會(huì)自動(dòng)均衡。

也可以安全地假設(shè)，由于多種因素，串聯(lián)電池的充電狀態(tài)會(huì)隨著時(shí)間的推移而出現(xiàn)差異。由于整個(gè)電池組的溫度梯度或阻抗、自放電率或電池之間的負(fù)載差異，SoC 可能會(huì)逐漸發(fā)生變化。盡管電池組的充電和放電電流往往會(huì)使這些電池之間的差異相形見(jiàn)絀，但除非定期平衡電池，否則累積的不匹配會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。

補(bǔ)償電池之間 SoC 的逐漸變化是平衡串聯(lián)電池的最基本原因。通常，被動(dòng)或耗散平衡方案足以重新平衡容量接近的電池組中的 SoC。

如圖 1A 所示，被動(dòng)平衡簡(jiǎn)單且成本低廉。然而，被動(dòng)平衡也非常慢，會(huì)在電池組內(nèi)部產(chǎn)生不必要的熱量，并且通過(guò)減少所有電池的剩余容量來(lái)匹配電池組中最低 SoC 電池來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡。

圖 1：典型的電池平衡拓?fù)?

被動(dòng)平衡也無(wú)法有效解決 SoC 錯(cuò)誤，這是由于另一種常見(jiàn)情況：容量不匹配。所有電池都會(huì)隨著老化而損失容量，而且由于與上述原因類(lèi)似，它們往往以不同的速度損失容量。

由于電池組電流平等地流入和流出所有串聯(lián)電池，因此電池組的可用容量由電池組中容量最低的電池決定。只有圖 1B 和 1C 所示的主動(dòng)平衡方法才能重新分配整個(gè)電池組的電荷，并補(bǔ)償由于電池之間不匹配而造成的容量損失。

電池間不匹配會(huì)大大縮短運(yùn)行時(shí)間

除非電池平衡，否則容量或 SoC 上的電池間不匹配可能會(huì)嚴(yán)重降低可用的電池組容量。最大化電池組容量要求在電池組充電和放電期間平衡電池。

在圖 2 所示的示例中，一個(gè)由 10 個(gè)電池串聯(lián)組成的電池組(標(biāo)稱(chēng))容量為 100A-hr 的電池，從最小容量電池到最大容量電池的容量誤差為 +/- 10%，該電池組充電和放電直至達(dá)到預(yù)定的 SoC 限值。如果 SoC 水平被限制在 30% 到 70% 之間，并且沒(méi)有執(zhí)行平衡，則相對(duì)于電池的理論可用容量，完整的充電/放電周期后，可用的電池組容量會(huì)減少 25%。

圖 2：由于電池間不匹配導(dǎo)致的電池組容量損失示例

被動(dòng)平衡理論上可以在電池組充電階段均衡每個(gè)電池的 SoC，但無(wú)法阻止電池 10 在放電期間先于其他電池達(dá)到 30% 的 SoC 水平。即使在電池組充電期間使用被動(dòng)平衡，在電池組放電期間也會(huì)“損失”(無(wú)法使用)大量容量。只有主動(dòng)平衡解決方案才能通過(guò)在電池組放電期間將電荷從高 SoC 電池重新分配到低 SoC 電池來(lái)實(shí)現(xiàn)“容量恢復(fù)”。

圖 3 說(shuō)明了如何使用“理想”主動(dòng)平衡實(shí)現(xiàn) 100% 恢復(fù)由于電池間不匹配而“丟失”的容量。在穩(wěn)定狀態(tài)使用期間，當(dāng)電池組從其 70% SoC“完全”充電狀態(tài)放電時(shí)，存儲(chǔ)的電荷實(shí)際上必須從電池 1(容量最高的電池)中取出并轉(zhuǎn)移到電池 10(容量最低的電池)——否則電池 10 會(huì)先于其余電池達(dá)到其 30% 的最低 SoC 點(diǎn)，并且電池組放電必須停止以防止進(jìn)一步縮短使用壽命。

圖 3：理想主動(dòng)平衡帶來(lái)的容量恢復(fù)

類(lèi)似地，在充電階段，必須從電池 10 中移除電荷 并重新分配到電池 1 中，否則電池 10 首先達(dá)到其 70% 的 SoC 上限，充電周期必須停止。在電池組使用壽命的某個(gè)時(shí)刻，電池老化的變化將不可避免地造成電池之間的容量不匹配。

只有主動(dòng)平衡解決方案才能根據(jù)需要將電荷從高 SoC 電池重新分配到低 SoC 電池，從而實(shí)現(xiàn)“容量恢復(fù)”。要在電池組的整個(gè)使用壽命內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大電池組容量，需要主動(dòng)平衡解決方案來(lái)高效地對(duì)各個(gè)電池進(jìn)行充電和放電，以保持整個(gè)電池組的 SoC 平衡。

示例：高效雙向平衡提供最高容量恢復(fù)

LTC3300 高效雙向主動(dòng)平衡控制 IC(見(jiàn)圖 4)是一款專(zhuān)為滿(mǎn)足高性能主動(dòng)平衡需求而設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品。每個(gè) IC 可同時(shí)平衡多達(dá) 6 個(gè)串聯(lián)的鋰離子或磷酸鐵鋰電池。

圖 4：LTC3300 高效率雙向多電池主動(dòng)平衡器

SoC 平衡是通過(guò)在選定電池和多達(dá) 12 個(gè)或更多相鄰電池的子堆棧之間重新分配電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。平衡決策和平衡算法必須由控制 LTC3300 的單獨(dú)監(jiān)控設(shè)備和系統(tǒng)處理器處理。電荷從 選定電池重新分配到一組 12 個(gè)或更多相鄰電池，以便放電。

類(lèi)似地，電荷從一組 12 個(gè)或更多相鄰電池轉(zhuǎn)移到 選定的電池，以便為該電池充電。所有平衡器可以同時(shí)在任一方向運(yùn)行，以最大限度地縮短堆棧平衡時(shí)間。所有平衡控制命令都通過(guò)可堆疊、高噪聲裕度串行 SPI 接口傳送到每個(gè) IC，堆棧高度不受限制。

LTC3300 中的每個(gè)平衡器都采用非隔離、邊界模式同步反激式功率級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)單獨(dú)電池的高效充電和放電(見(jiàn)圖 5)。

圖 5：雙向反激式功率級(jí)運(yùn)行

六個(gè)平衡器中的每一個(gè)都需要自己的變壓器。每個(gè)變壓器的“初級(jí)”側(cè)跨接要平衡的電池，而“次級(jí)”側(cè)跨接 12 個(gè)或更多相鄰電池(包括要平衡的電池)。次級(jí)側(cè)的電池?cái)?shù)量?jī)H受外部元件擊穿電壓的限制。電池充電和放電電流由外部檢測(cè)電阻器編程為高達(dá) 10+ 安培的值，并相應(yīng)地調(diào)整外部開(kāi)關(guān)和變壓器。

通過(guò)初級(jí)和次級(jí)元件進(jìn)行排序和 I PEAK /I ZERO 電流檢測(cè)取決于平衡器是否啟用以對(duì)電池充電或放電。通過(guò)同步操作和正確選擇元件可實(shí)現(xiàn)高效率。各個(gè)平衡器通過(guò) BMS 系統(tǒng)處理器啟用，并且它們將保持啟用狀態(tài)，直到 BMS 命令平衡停止或檢測(cè)到故障情況。

平衡器效率至關(guān)重要!

電池組面臨的最大敵人之一就是熱量。高環(huán)境溫度會(huì)迅速降低電池壽命和性能。不幸的是，在高電流電池系統(tǒng)中，平衡電流也必須很高才能延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間或?qū)崿F(xiàn)電池組的快速充電。平衡器效率低下會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生不必要的熱量，必須通過(guò)減少在給定時(shí)間內(nèi)可以運(yùn)行的平衡器數(shù)量或采用昂貴的熱緩解方法來(lái)解決。

如圖 6 所示，LTC3300 在充電和放電方向上均實(shí)現(xiàn)了 90% 以上的效率，與平衡器功耗相同的 80% 效率解決方案相比，平衡電流可增加一倍以上。 此外，更高的平衡器效率可實(shí)現(xiàn)更有效的電荷重新分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更有效的容量恢復(fù)和更快的充電。

圖 6：LTC3300 功率級(jí)性能

局部電池承擔(dān)了大部分平衡工作

通過(guò)如圖 7 所示交錯(cuò)次級(jí)側(cè)連接，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)堆棧的電荷傳輸。 以這種方式交錯(cuò)允許任意六個(gè)電池組的電荷傳輸?shù)揭唤M相鄰電池或從一組相鄰電池傳輸。

圖 7：交錯(cuò)連接和電荷轉(zhuǎn)移性能

請(qǐng)注意，相鄰電池可能位于電池堆的上方或下方。這種靈活性在優(yōu)化平衡算法時(shí)非常有用。任何交錯(cuò)系統(tǒng)的一個(gè)常見(jiàn)誤解是，將電荷從非常高的電池堆頂部重新分配到底部必定是極其低效的，因?yàn)閷㈦姾蓮捻敳恳苿?dòng)到底部需要進(jìn)行所有轉(zhuǎn)換。然而，如圖 7 示例所示，大多數(shù)平衡只需將電荷重新分配到最靠近需要平衡的電池或從最靠近需要平衡的電池重新分配即可完成。

次級(jí)側(cè)電池組由 10 個(gè)或更多個(gè)電池組成，允許一個(gè)弱電池(否則會(huì)限制整個(gè)電池組的運(yùn)行時(shí)間)通過(guò)運(yùn)行一個(gè) 平衡器恢復(fù)其“損失”容量的 90% 以上。因此，采用 LTC3300 交錯(cuò)拓?fù)?，無(wú)需將電荷從電池組頂部一直移動(dòng)到底部 - 大部分平衡工作由本地相鄰電池完成。

安全第一

LTC3300 雙向主動(dòng)平衡器提供多種安全功能，以防止平衡過(guò)程中發(fā)生意外，并保持最高的可靠性。數(shù)據(jù)完整性檢查(對(duì)所有傳入和傳出數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 檢查、看門(mén)狗定時(shí)器、數(shù)據(jù)讀回)可防止平衡器響應(yīng)意外或錯(cuò)誤的命令?？删幊谭塍槲豢纱_保平衡過(guò)程中的電流檢測(cè)故障不會(huì)導(dǎo)致失控電流情況。逐個(gè)電池過(guò)壓和欠壓檢查以及次級(jí)側(cè)過(guò)壓檢測(cè)可防止電池線束突然故障在平衡過(guò)程中對(duì)平衡電路造成損壞。

隨著此類(lèi)系統(tǒng)中的電池老化或需要更換，補(bǔ)償由此產(chǎn)生的電池容量不匹配問(wèn)題變得越來(lái)越重要，同時(shí)又不影響運(yùn)行時(shí)間、充電時(shí)間或電池組的使用壽命。LTC3300 專(zhuān)為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供了全新水平的安全性和充電效率。